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FR2973485A1 - Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique - Google Patents

Procede et appareil de separation d'air par distillation cryogenique Download PDF

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FR2973485A1
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Abstract

Dans un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique, on refroidit une première fraction de l'air comprimé à une première pression dans un échangeur (57), on la détend à partir d'une pression au moins égale à la première pression dans une première turbine (25) jusqu'à une deuxième pression P2, correspondant à la pression de la colonne du système opérant à la pression la plus élevée (29) et on l'envoie dans cette colonne, on refroidit une deuxième fraction de l'air dans l'échangeur, on la sort de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci et on la comprime dans un surpresseur (15), on renvoie de l'air comprimé dans le surpresseur à l'échangeur où il se condense au moins partiellement et on l'envoie à la colonne haute pression et/ou la colonne basse pression, on envoie un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote de la colonne haute pression, ou des fluides dérivés de ces débits, à la colonne basse pression, on soutire un liquide contenant au plus 97% mol. d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, on le pressurise et on le vaporise dans l'échangeur pour produire de l'oxygène gazeux sous pression, la première pression P1 étant supérieure à la deuxième pression P2 d'au moins 4 bar et le taux de reflux dans la cuve de la colonne basse pression étant supérieur à 1,5.

Description

La présente invention est relative à un procédé et à un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique.
En particulier, elle concerne un procédé de production d'oxygène avec une pureté inférieure à 97% mol., appelé par la suite oxygène « basse pureté ». La pureté est de préférence supérieure à 60% mol. Lorsque l'on souhaite produire de l'oxygène basse pureté, il n'est plus nécessaire de séparer l'argon de l'oxygène par distillation, une distillation difficile qui nécessite des taux de reflux faibles (LN inférieurs à 1,4). Il est donc possible de diminuer significativement le rapport de pressions entre l'air entrant dans le système et l'azote résiduaire produit. On distingue alors deux cas : - le schéma basse pression où l'azote résiduaire est produit à pression atmosphérique, - le schéma haute pression où l'azote résiduaire est produit à haute pression pour être réinjecté dans une turbine à gaz. Dans le cas du schéma basse pression, la réduction du rapport de pressions entre l'air entrant et l'azote résiduaire produit entraîne qu'au lieu de fonctionner avec de l'air entre 5 et 6 bar abs, on fonctionnera avec de l'air entre 2,5 et 4,5 bar abs. A de telles pressions, la taille de l'épuration de l'air en eau et CO2 par adsorption augmente de façon considérable ainsi que celle l'échangeur de chaleur principal. C'est l'objet principal de l'invention de résoudre ce problème en réaugmentant la pression d'air sans perdre en efficacité énergétique : le surplus de pression permet de produire du froid par détente dans au moins une turbine entre la haute pression d'air et la pression nécessaire soit pour la colonne de plus forte pression soit éventuellement pour un condenseur/vaporiseur additionnel pour assurer une partie du rebouillage de la colonne basse pression. Ceci n'est possible que lorsque l'on peut accepter un taux de reflux élevé (typiquement un LN de l'ordre de 2) en cuve de colonne basse pression et donc uniquement lorsque l'on cherche à produire de l'oxygène basse pureté. Le froid est alors produit en excès par rapport aux pertes de l'unité de séparation des gaz de l'air, ce qui permet de comprimer à basse température la partie de l'air qui se condense dans l'échangeur de chaleur principal et compense la vaporisation d'oxygène liquide dans le dit échangeur, réduisant l'énergie de compression interne de l'oxygène. Dans le cas du schéma haute pression, la réduction du rapport de pression entre l'air entrant et l'azote résiduaire permet aussi de diminuer la pression d'air pour une pression d'azote donnée. Cela permet donc encore une fois de produire du froid par détente entre la haute pression et la pression de la colonne de plus forte pression. Le froid est alors à nouveau produit en excès par rapport aux pertes de l'unité de séparation des gaz de l'air, ce qui permet de comprimer à basse température la partie de l'air qui se condense dans l'échangeur de chaleur principal et compense la vaporisation d'oxygène liquide dans le dit échangeur, réduisant l'énergie de compression interne de l'oxygène. Un autre avantage de la solution proposée est de réduire la pression de la colonne de plus forte pression de manière à améliorer la distillation. En effet, lorsque cette pression se rapproche de 20 bar abs, la distillation azote/oxygène devient très difficile. Dans le cas de l'invention, un autre avantage est de dissocier la pression d'air (parfois en provenance d'une turbine à gaz) de la pression de la colonne de plus forte pression. Selon un objet de l'invention, il est prévu un procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une colonne haute pression opérant à une haute pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, les deux colonnes étant thermiquement reliées entre elles dans lequel : i) on comprime de l'air à une première pression P1, ii) on refroidit une première fraction de l'air comprimé à la première pression dans un échangeur, on la détend à partir d'une pression au moins égale à la première pression dans une première turbine jusqu'à une deuxième pression P2, correspondant à la pression de la colonne du système opérant à la pression la plus élevée et on l'envoie dans cette colonne, iii) on refroidit une deuxième fraction de l'air dans l'échangeur, on la sort de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci et on la comprime dans un surpresseur, on renvoie de l'air comprimé dans le surpresseur à l'échangeur où il se condense au moins partiellement et on l'envoie à la colonne haute pression et/ou la colonne basse pression, iv) on envoie un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote de la colonne haute pression, ou des fluides dérivés de ces débits, à la colonne basse pression, v) on soutire un liquide contenant au plus 97% mol. d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, on le pressurise et on le vaporise dans l'échangeur pour produire de l'oxygène gazeux sous pression, vi) la première pression P1 étant supérieure à la deuxième pression P2 d'au moins 4 bar, et vii) le taux de reflux dans la cuve de la colonne basse pression étant supérieur à 1,5. Selon d'autres objets de l'invention : - le taux de reflux dans la cuve de la colonne basse pression est inférieur à 5. - la colonne basse pression contient au moins deux condenseurs, dont un condenseur de cuve, éventuellement chauffé par un débit d'air, et un condenseur intermédiaire. - la deuxième pression est inférieure à 4,5 bars abs. - la deuxième pression est supérieure à 2,5 bars ab. - la deuxième pression est au-dessus de 8 bars abs, voire au-dessus de 10 bars ab. - la deuxième pression est en dessous de 20 bars abs, voire en dessous de 15 bars abs. - le surpresseur a un taux de compression entre 1,4 et 2. - la colonne basse pression contient au moins trois condenseurs. - on refroidit une fraction de l'air comprimé à la première pression dans l'échangeur, on la détend à partir d'une pression au moins égale à la première pression dans une deuxième turbine et on chauffe le condenseur de cuve de la colonne basse pression avec cette fraction détendue. - la colonne basse pression est séparée en deux sections. - dans une installation avec une colonne opérant à une pression intermédiaire entre celles de la colonne basse pression et haute pression, un débit enrichi en oxygène est envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire et un fluide enrichi en oxygène et/ou un fluide enrichi en azote est envoyé de cette colonne à pression intermédiaire à la colonne basse pression, la première pression étant supérieure ou égale à 20 bars abs. - la fraction détendue dans la première turbine, et éventuellement la fraction détendue dans la deuxième turbine, n'a pas été comprimée dans le surpresseur. - la fraction détendue dans la première et/ou la deuxième turbine est à la première pression ou une pression au-dessus de la première pression à l'entrée de la ou les turbines. Selon un autre objet de l'invention, il est prévu un appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comportant un système de colonnes comprenant une colonne haute pression opérant à une haute pression et une colonne basse pression opérant à une basse pression, les deux colonnes étant thermiquement reliées entre elles, un compresseur pour comprimer de l'air à une première pression P1, un échangeur pour refroidir une première fraction de l'air comprimé à la première pression, une première turbine pour détendre la première fraction refroidie dans l'échangeur à partir d'une pression au moins égale à la première pression jusqu'à une deuxième pression P2, correspondant à la pression de la colonne du système opérant à la pression la plus élevée, une conduite pour envoyer la première fraction de la première turbine dans cette colonne, une conduite pour sortir une deuxième fraction de l'air de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci, un surpresseur pour comprimer la deuxième fraction, une conduite pour renvoyer la deuxième fraction à l'échangeur où il se condense au moins partiellement et une conduite pour envoyer la deuxième fraction à la colonne haute pression et/ou la colonne basse pression, des conduites pour envoyer un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote de la colonne haute pression, ou des fluides dérivés de ces débits, à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un liquide contenant au plus 97% mol. d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, une pompe pour pressuriser ce liquide et une conduite pour l'envoyer dans l'échangeur pour produire de l'oxygène gazeux sous pression.
L'invention sera décrite en plus de détail en faisant référence aux figures qui représentent des procédés selon l'invention. La Figure 1 représente un procédé de séparation d'air dans une double colonne comprenant une colonne moyenne pression 29 opérant à une deuxième pression de plus que 2,5 bars abs et de moins que 4,5 bar abs et une colonne basse pression 31 opérant à une pression de 1,2 bars environ. Un débit d'air 1 est comprimé dans un compresseur 3 à une première pression. Le débit 5 à la première pression P1 est épuré à une pression très supérieure à 4,5 bar abs (typiquement 8 à 20 bar abs en fonction de la pression d'oxygène que l'on souhaite obtenir) pour former le débit 9 qui est surpressé dans le surpresseur chaud 11. Ce surpresseur est typiquement le booster frein d'une turbine et a un taux de compression entre 1,4 et 2. Le débit 9 rentre dans l'échangeur de chaleur principal 57 et se refroidit jusqu'à une température intermédiaire. A cette température intermédiaire, il est divisé en deux pour former des fractions 13 et 17. La fraction 17 se refroidit encore, puis est divisée en deux débits 19, 59. Une première fraction 21 de ce débit 19 est détendue dans une turbine 25 jusqu'à la pression de la colonne moyenne pression, appelée deuxième pression et envoyée à la colonne moyenne pression 29. Le reste 23 du débit 19 est détendu dans une turbine 27 puis utilisé pour chauffer le rebouilleur de cuve 35 de la colonne basse pression 31. L'air condensé dans le rebouilleur 35 est condensé puis envoyé par la vanne 39 à un niveau intermédiaire de la colonne haute pression 29 et/ou à la colonne basse pression. La deuxième fraction 13 de l'air 9 est envoyée dans un surpresseur froid 15 à une température intermédiaire de l'échangeur 57 supérieure aux températures d'entrée des turbines 25, 27. L'air surpressé est envoyé à une température intermédiaire de l'échangeur 57 dans l'échangeur et se refroidit jusqu'au bout froid où il se condense ou se pseudo-condense (dans le cas où sa pression est supérieure à la pression critique). Détendu dans la vanne 63 (ou optionnellement dans une turbine), il est envoyé dans la colonne haute pression 29. Une partie 59 du débit 17 se refroidit également jusqu'au bout froid à la pression de sortie du surpresseur chaud 11, puis est détendue dans la vanne 61 dans la colonne haute pression 29. L'air envoyé à la colonne haute pression 29 s'y sépare pour former un liquide 41 enrichi en oxygène, un liquide intermédiaire 43, un liquide enrichi en azote 45, un liquide riche en azote et un gaz riche en azote. Du liquide riche en azote est pompé dans la pompe 55 pour former le débit 54 et vaporisé dans l'échangeur 57. L'azote gazeux est envoyé au condenseur 37 pour s'y condenser, le liquide formé étant envoyés aux deux colonnes comme débits 45, 47. Le liquide enrichi en oxygène 41 est envoyé à la colonne basse pression ainsi que le liquide intermédiaire 43. Un gaz riche en azote 51 est soutiré en tête de la colonne basse pression, réchauffé dans le sous-refroidisseur 49 puis envoyé à l'échangeur 57.
De l'oxygène liquide avec une pureté inférieure à 97% mol. est soutiré en cuve de la colonne basse pression 31, pressurisé par la pompe 53 puis vaporisé dans l'échangeur 57 comme débit 52. Il est également possible pour la Figure 1 de ne surpresser dans le surpresseur chaud qu'une partie de l'air, laissant le reste de l'air se refroidir en amont des turbines, comme illustré ensuite pour la Figure 2. La Figure 2 représente un procédé utilisant une double colonne avec trois condenseurs dans la colonne basse pression. La colonne basse pression est en deux sections, la section inférieure contenant le condenseur de cuve 35 et un condenseur 36 chauffé par de l'air de la turbine 25. La section supérieure contient le condenseur 37 chauffé par l'azote 73 de la colonne haute pression 29. Il n'y a aucune production de l'azote gazeux par vaporisation de liquide pressurisé mais cette caractéristique pourrait y figurer. De l'azote gazeux 71 de la colonne haute pression 29 est soutiré en tête de la colonne et réchauffé dans l'échangeur 57. L'oxygène liquide 52 avec une pureté inférieure à 97% mol. est soutiré en cuve de la section inférieure de la colonne basse pression 31, pressurisé par la pompe 53 puis vaporisé dans l'échangeur 57. Dans ce cas, seule une partie 9 de l'air est surpressée dans le surpresseur chaud 11, cette partie étant ensuite entièrement surpressée dans le surpresseur froid 15 avant de se condenser dans l'échangeur. Le reste 8 de l'air n'est pas envoyé au surpresseurs mais est refroidi dans l'échangeur 57 à une température intermédiaire puis divisé en deux et détendu dans les deux turbines en parallèle 25, 27. La colonne 29 opère à au plus 4,5 bars abs, ce qui constitue la deuxième pression.
La Figure 3 illustre un procédé à trois colonnes : une colonne haute pression 29, une colonne basse pression 31 et une colonne opérant à une pression entre les haute et basse pressions, appelée colonne à pression intermédiaire 81 ou colonne Etienne.
La colonne haute pression 29 opère typiquement à une deuxième pression, variant par exemple entre 10 et 15 bars abs. L'air 1 est comprimé à une première pression d'au moins 20 bars abs, éventuellement dans un compresseur 3 de turbine à gaz. La turbine à gaz peut par exemple comprendre une chambre de combustion et une turbine de détente alimentée en air par le compresseur 3. Le débit formé 5 est épuré à cette pression dans une unité d'épuration 7 puis divisé en deux. Une première fraction 8 de l'air est refroidie dans l'échangeur 57 jusqu'à une température intermédiaire puis détendue dans une turbine 25 jusqu'à la colonne haute pression 29. La deuxième fraction 9 est surpressée dans un surpresseur chaud 11, refroidie dans l'échangeur 57, surpressée dans un surpresseur froid 15, renvoyée dans l'échangeur 57, condensée puis envoyée à la colonne haute pression 29. Un liquide 41 enrichi en oxygène est soutiré en cuve de la colonne haute pression 41 puis divisé en deux. Une partie 75 est envoyée dans la colonne 81 après détente dans la vanne 89. Le reste 77 est envoyé au sous-refroidisseur 49 puis à la colonne basse pression 31. Le fluide 75 se sépare dans la colonne 81 qui a un condenseur de tête 85 et un rebouilleur de cuve 83. Le liquide de cuve 87 de la colonne 81 se vaporise partiellement dans le condenseur de tête 85 pour former un liquide 95 et un gaz 93 qui sont tous deux envoyés dans la colonne basse pression 31. Un condenseur de cuve 35 de la colonne basse pression 31 est chauffé par de l'azote de la colonne haute pression 29. Un liquide 52 contenant au plus 97% mol. d'oxygène est soutiré de la colonne basse pression, pressurisé dans la pompe 53 puis vaporisé dans l'échangeur 57. Le liquide peut également être pressurisé uniquement ou en addition par pression hydrostatique. De l'azote gazeux 51 se réchauffe dans le sous-refroidisseur 49 et l'échangeur 57. L'azote 51 ou de l'azote de la colonne 29 peut être envoyé à la turbine à gaz.
Dans tous les cas des figures, le tronçon de la colonne basse pression immédiatement au-dessus du soutirage du liquide 52 contenant au plus 97% mol d'oxygène opère avec un taux de reflux d'au moins 1,5, voire d'au moins 2.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de séparation d'air par distillation cryogénique dans un système de colonnes comprenant une colonne haute pression (29) opérant à une haute pression et une colonne basse pression (31) opérant à une basse pression, les deux colonnes étant thermiquement reliées entre elles dans lequel : i) on comprime de l'air à une première pression P1, ii) on refroidit une première fraction de l'air comprimé à la première pression dans un échangeur (57), on la détend à partir d'une pression au moins égale à la première pression dans une première turbine (25) jusqu'à une deuxième pression P2, correspondant à la pression de la colonne du système opérant à la pression la plus élevée (29) et on l'envoie dans cette colonne, iii) on refroidit une deuxième fraction de l'air dans l'échangeur, on la sort de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci et on la comprime dans un surpresseur (15), on renvoie de l'air comprimé dans le surpresseur à l'échangeur où il se condense au moins partiellement et on l'envoie à la colonne haute pression et/ou la colonne basse pression, iv) on envoie un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote de la 20 colonne haute pression, ou des fluides dérivés de ces débits, à la colonne basse pression, v) on soutire un liquide (52) contenant au plus 97% mol. d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, on le pressurise et on le vaporise dans l'échangeur pour produire de l'oxygène gazeux sous pression, 25 vi) la première pression P1 étant supérieure à la deuxième pression P2 d'au moins 4 bar, et vii) le taux de reflux dans la cuve de la colonne basse pression étant supérieur à 1,5. 30
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la colonne basse pression (31) contient au moins deux condenseurs, dont un condenseur de cuve (35), éventuellement chauffé par un débit d'air, et un condenseur intermédiaire (37).
  3. 3. Procédé selon la revendication 2 dans lequel la deuxième pression est inférieure à 4,5 bars abs.
  4. 4. Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3 dans lequel la colonne basse pression (31) contient au moins trois condenseurs (35, 36, 37).
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 2 à 4 dans lequel on refroidit une fraction de l'air comprimé à la première pression dans l'échangeur (57), on la détend à partir d'une pression au moins égale à la première pression dans une deuxième turbine (27) et on chauffe le condenseur de cuve de la colonne basse pression (31) avec cette fraction détendue.
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel la colonne basse pression (31) est séparée en deux sections.
  7. 7. Procédé selon la revendication 1 comprenant une colonne (81) opérant à une pression intermédiaire entre celles de la colonne basse pression (31) et haute pression (29), dans lequel un débit enrichi en oxygène est envoyé à la colonne opérant à pression intermédiaire et un fluide enrichi en oxygène et/ou un fluide enrichi en azote est envoyé de cette colonne à pression intermédiaire à la colonne basse pression, la première pression étant supérieure ou égale à 20 bars abs.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la fraction détendue dans la première turbine (25), et éventuellement la fraction détendue dans la deuxième turbine (27), n'a pas été comprimée dans le surpresseur.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel la fraction détendue dans la première (25) et/ou la deuxième turbine (27) est à la première pression ou une pression au-dessus de la première pression.
  10. 10. Appareil de séparation d'air par distillation cryogénique comportant un système de colonnes comprenant une colonne haute pression opérant à une haute pression (29) et une colonne basse pression (31) opérant à une basse pression, les deux colonnes étant thermiquement reliées entre elles, un compresseur (1,
  11. 11) pour comprimer de l'air à une première pression P1, un échangeur (57) pour refroidir une première fraction de l'air comprimé à la première pression, une première turbine (25) pour détendre la première fraction refroidie dans l'échangeur à partir d'une pression au moins égale à la première pression jusqu'à une deuxième pression P2, correspondant à la pression de la colonne du système opérant à la pression la plus élevée, une conduite pour envoyer la première fraction de la première turbine dans cette colonne, une conduite pour sortir une deuxième fraction de l'air de l'échangeur à une température intermédiaire de celui-ci, un surpresseur (15) pour comprimer la deuxième fraction, une conduite pour renvoyer la deuxième fraction à l'échangeur où il se condense au moins partiellement et une conduite pour envoyer la deuxième fraction à la colonne haute pression et/ou la colonne basse pression, des conduites pour envoyer un débit enrichi en oxygène et un débit enrichi en azote de la colonne haute pression, ou des fluides dérivés de ces débits, à la colonne basse pression, une conduite pour soutirer un liquide contenant au plus 97% mol. d'oxygène de la cuve de la colonne basse pression, une pompe pour pressuriser ce liquide et une conduite pour l'envoyer dans l'échangeur pour produire de l'oxygène gazeux sous pression.
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